Закон отражения света имеет вид см рис

Большинство окружающих вас объектов: дома, деревья, ваши одноклассники и т. д. — не являются источниками света. Но вы их видите. Ответ на вопрос «Почему так?» вы найдете в этом параграфе.

Почему мы видим тела, не являющиеся источниками света

Вы уже знаете, что в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. А что происходит, если на пути пучка света находится какое-то тело? Часть света может пройти сквозь тело, если оно прозрачное, часть поглотится , а часть обязательно отразится от тела. Некоторые отраженные лучи попадут нам в глаза, и мы увидим это тело (рис. 11.1).

Рис. 11.1. При отсутствии источника света невозможно ничего увидеть. Если есть источник света, мы видим не только сам источник, но и предметы, которые отражают свет, идущий от источника

Законы отражения света

Чтобы установить законы отражения света, воспользуемся специальным прибором — оптической шайбой *. В центре шайбы закрепим зеркало и направим на него узкий пучок света так, чтобы он давал на поверхности шайбы светлую полосу. Видим, что пучок света, отраженный от зеркала, тоже дает светлую полосу на поверхности шайбы (см. рис. 11.2).

Рис. 11.2. Установление законов отражения света с помощью оптической шайбы: – угол падения; – угол отражения

Направление падающего пучка света зададим лучом СО (рис. 11.2). Этот луч называют падающим лучом . Направление отраженного пучка света зададим лучом ОК . Этот луч называют отраженным лучом .

Из точки О падения луча проведем перпендикуляр ОВ к поверхности зеркала. Обратим внимание на то, что падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр лежат в одной плоскости , — в плоскости поверхности шайбы.

Угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным из точки падения , называют углом падения ; угол между отраженным лучом и данным перпендикуляром называют углом отражения .

Измерив углы и можно убедиться, что они равны.

* Оптическая шайба — белый диск с нанесенными делениями; на краю диска установлен осветитель. отражения

Рис. 11.3. С изменением угла падения света изменяется и угол отражения. Угол отражения всегда равен углу падения

Если перемещать источник света по краю диска, угол падения светового пучка будет изменяться и соответственно будет изменяться угол отражения, причем каждый раз угол падения и угол отражения света будут равны (рис. 11.3). Итак, мы установили законы отражения света:

1. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности отражения,проведенный из точки падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Угол отражения равен углу падения:

Законы отражения света установил древнегреческий ученый Евклид еще в III в. до н. э.

С помощью зеркала на оптической шайбе можно продемонстрировать также обратимость световых лучей: если падающий луч направить по пути отраженного, то отраженный луч пойдет по пути падающего (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Демонстрация обратимости световых лучей: отраженный луч идет по пути падающего луча

Изображение в плоском зеркале:

Рассмотрим, как создается изображение в плоском зеркале (рис. 11.6).

Пусть из точечного источника света S на поверхность плоского зеркала падает расходящийся пучок света. Из этого пучка выделим лучи SA, SB и SC . Используя законы отражения света, построим отраженные лучи и (рис. 11.7, а ). Эти лучи пойдут расходящимся пучком . Если продлить их в противоположном направлении (за зеркало), все они пересекутся в одной точке — расположенной за зеркалом.

Если часть отраженных от зеркала лучей попадет в ваш глаз, вам будет казаться, что отраженные лучи выходят из точки хотя в действительности никакого источника света в точке нет. Поэтому точку называют мнимым изображением точки Плоское зеркало всегда дает мнимое изображение .

Выясним, как расположены предмет и его изображение относительно зеркала. Для этого обратимся к геометрии. Рассмотрим, например, луч SC , который падает на зеркало и отражается от него (рис. 11.7, б ).

Рис. 11.7. Получение изображения точечного источника света в плоском зеркале: S — источник света; — мнимое изображение источника света

Из рисунка видим, что — прямоугольные треугольники, имеющие общую сторону и равные острые углы (так как по закону отражения света ). Из равенства треугольников имеем, что то есть точка и ее изображение симметричны относительно поверхности плоского зеркала.

То же можно сказать и об изображении протяженного предмета: предмет и его изображение симметричны относительно поверхности плоского зеркала .

Итак, нами установлены общие характеристики изображений в плоских зеркалах.

1. Плоское зеркало дает мнимое изображение предмета.

2. Изображение предмета в плоском зеркале и собственно предмет симметричны относительно поверхности зеркала, и это означает:

• изображение предмета равно по размеру самому предмету;
• изображение предмета расположено на том же расстоянии от поверхности зеркала, что и сам предмет;
• отрезок, соединяющий точку на предмете и соответствующую ей точку на изображении, перпендикулярен поверхности зеркала.

Зеркальное и рассеянное отражение света

Вечером, когда в комнате горит свет, мы можем видеть свое изображение в оконном стекле. Но изображение исчезает, если задернуть шторы: на ткани мы своего изображения не увидим. А почему? Ответ на этот вопрос связан по меньшей мере с двумя физическими явлениями.

Первое такое физическое явление — отражение света . Чтобы появилось изображение, свет должен отразиться от поверхности зеркально : после зеркального отражения света, идущего от точечного источника S, продолжения отраженных лучей пересекутся в одной точке S1, которая и будет изображением точки S (рис. 11.8, а ). Такое отражение возможно только от очень гладких поверхностей. Их так и называют — зеркальные поверхности . Кроме обычного зеркала примерами зеркальных поверхностей являются стекло, полированная мебель, спокойная гладь воды и т. п. (рис. 11.8, б, в ).

Если свет отражается от шероховатой поверхности, такое отражение называют рассеянным (диффузным) (рис. 11.9). В этом случае отраженные лучи распространяются в разных направлениях (именно поэтому мы видим освещенный предмет с любой стороны). Понятно, что поверхностей, рассеивающих свет, намного больше, чем зеркальных.

Рис. 11.8. Зеркальное отражение света — это отражение света от гладкой поверхности

Рис. 11.9. Рассеянное (диффузное) отражение света — это отражение света от шероховатой поверхности

Второе физическое явление, влияющее на возможность видеть изображение, — это поглощение света . Ведь свет не только отражается от физических тел, но и поглощается ими. Лучшие отражатели света — зеркала: они могут отражать до 95 % падающего света. Хорошими отражателями света являются тела белого цвета, а вот черная поверхность поглощает практически весь свет, падающий на нее.

Пример №2

На рис. 1 схематически изображены предмет и зеркало Найдите графически участок, из которого изображение предмета видно полностью.

Анализ физической проблемы . Чтобы видеть изображение некоторой точки предмета в зеркале, необходимо, чтобы в глаз наблюдателя отразилась хотя бы часть лучей, падающих из этой точки на зеркало. Понятно, что если в глаз отразятся лучи, исходящие из крайних точек предмета, то в глаз отразятся и лучи, исходящие из всех точек предмета.

Рис. 1

Решение, анализ результатов

1. Построим точку B1 — изображение точки B в плоском зеркале ( рис. 2, а ). Область, ограниченная поверхностью зеркала и лучами, отраженными от крайних точек зеркала, и будет той областью, из которой видно изображение B1 точки B в зеркале.

2. Аналогично построив изображение C1 точки C, определим область ее видения в зеркале (рис. 2, б ).

3. Видеть изображение всего предмета наблюдатель может только в том случае, если в его глаз попадают лучи, которые дают оба изображения — B1 и C1 (рис. 2, в ). Значит, участок, выделенный на рис. 2, в оранжевым, и есть тот участок, из которого изображение предмета видно полностью.

Подводим итоги:

Все видимые тела отражают свет. При отражении света выполняются два закона отражения света: 1) луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности отражения, проведенный из точки падения луча, лежат в одной плоскости; 2) угол отражения равен углу падения.

Изображение предмета в плоском зеркале мнимое, равное по размеру самому предмету и расположено на том же расстоянии от зеркала, что и сам предмет.

* Различают зеркальное и рассеянное отражения света. В случае зеркального отражения мы можем видеть мнимое изображение предмета в отражающей поверхности; в случае рассеянного отражения изображение не возникает.

Обратимость световых лучей и виды отражения

Вернемся к рисунку 2. Если мы пустим световой луч в направлении OB, то отраженный луч пойдет в направлении OS.

Это простое свойство называется обратимостью световых лучей. Оно заключается в том, что падающий и отраженный лучи могут меняться местами.

В жизни нас постоянно окружают различные отражающие поверхности. Существует два основных критерия, по которым мы можем их разделить. Свет отражается от таких поверхностей тоже по-разному.

Рассмотрим в очень большом приближении параллельный пучок света (рисунок 4). Т.е., световые лучи, с помощью которых изображен такой пучок, не будут пересекаться — они параллельны друг другу. Также пучок может быть расходящимся (например, как на рисунке 1) и сходящимся .

1. Если на поверхность зеркала падает параллельный пучок света, то после отражения пучок тоже остается параллельным (рисунок 4, а). Такие поверхности называются зеркальными или гладкими (полированными) , а отражение — зеркальным

2. Другие тела имеют шероховатую или негладкую поверхность. Ее можно представить в виде набора малых плоских поверхностей, расположенных под разными углами друг к другу (рисунок 4, б). Отражение от таких поверхностей называется диффузным. Свет, падающий от параллельного пучка света на такую поверхность, будет отражаться по разным направлениям — будет происходить его рассеивание

{“questions”:[{“content”:”Пучок параллельных лучей света падает на поверхность предмета. Отраженные лучи будут параллельными, если [[choice-1]]”,”widgets”:{“choice-1”:{“type”:”choice”,”options”:[“Они падают под малым углом (почти перпендикулярно поверхности)”,”Поверхность предмета зеркальная”,”Поверхность предмета шероховатая”],”explanations”:[“Угол отражения все равно будет равен углу падения. Значение имеют неровности поверхности или их отсутствие.”,””,”В этом случае отраженные лучи параллельны друг другу не будут, так как поверхность тела будет рассматриваться в виде набора малых плоских поверхностей, расположенных под разными углами друг к другу.”],”answer”:[1]}}}]}

В жизни мы чаще встречаемся с диффузным отражением света. Благодаря ему мы видим предметы, которые сами не излучают свет.

Зеркальное отражение мы будем более подробно рассматривать в следующем уроке.

§ 41. Закон прямолинейного распространения света. Закон отражения света

Основные понятия геометрической оптики.

В геометрической оптике законы распространения света рассматриваются на основе представления о световых лучах и модели точечного источника света.

Направление распространения любых волн, в том числе и световых, определяется с помощью лучей.

Луч — прямая линия, перпендикулярная волновой поверхности и указывающая направление распространения энергии волны.

Понятие светового луча можно применять в том случае, когда длина световой волны много меньше размеров тел, составляющих оптическую систему . Направление пучка световых лучей можно найти экспериментально. Для этого нужно поставить на пути света непрозрачный экран с небольшим отверстием.

Тогда в задымлённой комнате мы увидим путь света в виде узкого прямолинейного канала — светового пучка.

Все тела, которые испускают свет, называют источниками света . Тепловыми источниками света являются, например, Солнце, звёзды, пламя свечи, нить накала электрической лампочки. Многие тела, от которых исходит свет, сами его не излучают. Так, Луна светит отражённым светом, падающим на неё от Солнца.

Источник света, размеры которого много меньше расстояний до освещаемых тел, называют точечным.

При изучении распространения света мы будем считать, что свойства среды, в которой находится источник света, во всех точках и по всем направлениям одинаковы. Такую среду называют однородной и изотропной .

Прямолинейное распространение света.

Прямолинейность распространения света — эмпирический закон, установленный в глубокой древности. Ещё в Древней Месопотамии за 5000 лет до н. э. люди знали о прямолинейном распространении света. В Древнем Египте это свойство света использовалось при строительстве пирамид. Закон прямолинейного распространения света был изложен в сочинениях Евклида (300 лет до и. э.).

В середине XVII в. французский учёный Пьер Ферма (1601 — 1665) выдвинул принцип наименьшего действия , из которого вытекали все законы геометрической оптики.

Принцип Ферма заключается в следующем: свет, идущий из одной точки пространства в другую, всегда распространяется по пути, требующему минимального времени .

Расстояние вдоль прямой — это кратчайшее расстояние между двумя точками. Скорость света в однородной среде во всех точках одна и та же. Следовательно, меньше всего времени для перехода света из одной точки среды в другую нужно именно при прямолинейном распространении.

Сформулируем закон прямолинейного распространения света.

B прозрачных однородных средах свет распространяется по прямым линиям.

Прямолинейностью распространения света в однородной среде объясняется явление образования тени. Если бы свет распространялся не прямолинейно, он мог бы обогнуть препятствие и тень бы не возникала.

Пусть S представляет собой точечный источник света, а К — тело, преграждающее путь свету, который падает на него от источника S (рис. 7.1).

Свет распространяется прямолинейно, поэтому он задерживается телом К , в результате чего за этим телом образуется конус тени. При этом свет от источника S не достигает точек этого конуса.

Если размеры источника света велики по сравнению с расстоянием от него до препятствий, то свет от каждой точки тела формирует отдельный конус позади препятствия. В данном случае образуются области тени и полутени. В область полутени свет попадает не от всего источника, а только от некоторых его частей.

Hа рисунке 7.2 показано сечение конусов тени, образованных за телом В светом, распространяющимся от двух точек источника света. Предполагается, что световые лучи распространяются независимо друг от друга. Встречаясь или пересекаясь, они не оказывают никакого взаимного влияния. Это свойство света часто называют законом независимости световых пучков (рис. 7.3).

Образованием тени и полутени объясняются такие явления, как лунные и солнечные затмения. Кроме того, на явлении прямолинейного распространения света основано получение изображений предметов с помощью малых отверстий в непрозрачных экранах (например, в камере-обскуре).

Отражение света.

Отражение света — это явление, при котором световая волна изменяет направление, но продолжает распространяться в той же среде . Если поверхность зеркальная, то падающий на неё пучок параллельных лучей отражается в одном направлении. В этом случае говорят о зеркальном отражении. Оно возникает на очень гладких поверхностях, например на ровном стекле, на поверхности озера в безветренную погоду (рис. 7.4).

В случае шероховатой поверхности падающий на неё пучок параллельных лучей отражается по всевозможным направлениям. Такой вид отражения света называют диффузным (или рассеянным). Обычный лист бумаги отражает свет диффузно. Именно благодаря рассеянному отражению света мы можем видеть предметы, которые сами не излучают свет.

Исследования физических явлений опытным путём

Для того чтобы получить закон отражения света, воспользуемся установкой (оптическим диском), представленной на рисунке 7.5.

Установим плоское зеркало в центре кругового диска, разделённого на градусы, так, чтобы лучи падали к основанию перпендикуляра CN к плоскости зеркала. Пусть SC — падающий луч, CS1 — отражённый луч, точка C — точка падения луча. Угол SCN между падающим лучом и перпендикуляром, проведённым к плоскости зеркала в точке падения луча, называют углом падения. Угол S1CN между отражённым лучом и перпендикуляром к плоскости зеркала в точке падения луча называют углом отражения.

Из опыта видно, что луч падающий и луч отражённый лежат в одной плоскости с перпендикуляром к плоскости зеркала, проведённым из точки падения.

Измерив по шкале диска углы падения и отражения, можно убедиться в том, что они равны. Можно изменять угол падения, перемещая источник света. При этом будет изменяться и угол отражения, но так, что эти два угла по-прежнему будут равны.

Сформулируем закон отражения света.

Падающий и отражённый лучи и перпендикуляр к поверхности, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

Угол падения равен углу отражения.

Построение изображений в плоских зеркалах.

Рассмотрим, как используют закон отражения света при построении изображений в плоских зеркалах.

Плоским зеркалом называют плоскую поверхность, зеркально отражающую свет .

Пусть светящаяся точка S находится перед плоским зеркалом. Где мы увидим изображение этой точки, если посмотрим в зеркало? Для ответа на этот вопрос построим ход нескольких лучей, выходящих из точки S . После отражения от зеркала такие лучи, как видно из рисунка 7.6, попадают в глаз наблюдателя.

Человеку кажется, что лучи выходят из точки S1 , которую можно найти, продолжив лучи в противоположную сторону до пересечения. Точка S1 будет являться изображением точки S в плоском зеркале. Это изображение называют мнимым, так как в точке S1 пересекаются не сами отражённые лучи, а их продолжения (световая энергия в эту точку не поступает).

Для того чтобы найти положение точки S1 , достаточно рассмотреть любые два луча расходящегося пучка. Обычно используют крайние лучи пучка, попадающего в глаз. В рассматриваемом случае это лучи AB и CD (см. рис. 7.6). В треугольниках SAC и S1AC сторона AC общая. Используя закон отражения света, можно доказать, что углы в треугольниках, прилегающие к этой общей стороне, соответственно равны. Следовательно, треугольники SAC и S1AC равны и совместятся друг с другом, если перегнуть рисунок по линии зеркала. Это означает, что точка S1 расположена симметрично точке S относительно плоскости зеркала. Поэтому для нахождения изображения точки достаточно опустить из неё на зеркало перпендикуляр и продолжить его на такое же расстояние за зеркало.

Для наблюдения изображения существенна лишь та часть AC зеркала, от которой лучи отражаются непосредственно в глаз. Вся остальная часть зеркала может быть закрыта или даже отрезана. Однако с уменьшением размеров зеркала уменьшается и та область пространства, откуда можно видеть изображение S1 (так называемая область видения). Изменяя положение лампочки или зеркала, можно менять область видения изображения (область серого цвета на рис. 7.7).

Таким образом, изображение предмета в плоском зеркале является прямым, мнимым, симметричным относительно плоскости зеркала, равным по размеру самому предмету .

Применение плоских зеркал.

Плоские зеркала находят широкое применение в быту. Их устанавливают в салонах автомобилей для лучшего обзора водителем проезжей части вокруг автомобиля. Плоские зеркала используют в шкалах измерительных (в частности, электроизмерительных) приборов высокого класса точности и др.

На практике применяется устройство, состоящее из трёх взаимно перпендикулярных зеркал, расположенных подобно плоскостям декартовой системы координат. Это устройство называют уголковым отражателем (рис. 7.8).

Оно обладает замечательным свойством: при любом угле падения луч падающий и луч, последовательно отразившийся от трёх зеркал, оказываются параллельными . Специальные уголковые отражатели были доставлены на Луну и использованы для точного измерения расстояния до неё с помощью лазерных лучей. Погрешность измерения составила всего лишь 0,1 м.

Вопросы:

1. Какие вопросы рассматриваются в геометрической оптике?

2. Что называют:

а) лучом света;

б) точечным источником света;

в) однородной и изотропной средой?

3. Как образуются тень и полутень?

4. Сформулируйте:

а) закон прямолинейного распространения света;

б) закон отражения света.

5. Как строится изображение предмета в плоском зеркале?

6. Охарактеризуйте изображение предмета, получаемого с помощью плоского зеркала.

Вопросы для обсуждения:

1. Как выглядит для наблюдателя солнечное затмение, когда Земля попадает в область полутени Луны?

2. Объясните образование тени и полутени в опыте, показанном на рисунке 7.9.

3. Почему пучки света автомобильных фар видны в тумане?

Пример решения задачи

Длина тени от Останкинской телевизионной башни, освещённой Солнцем, в некоторый момент времени оказалась равной 600 м. Длина тени человека ростом 1,75 м в тот же момент времени составила 2 м. Определите по этим данным высоту башни.

Подставляя числовые данные, найдём:

Ответ: H = 525 м.

Упражнения:

1. Угловая высота Солнца над горизонтом равна 60°. Какой длины будет тень на земле от вертикально поставленного столба высотой 2 м?

2. R солнечный день длина тени от отвесно поставленной метровой линейки равна 50 см, а от дерева — 6 м. Чему равна высота дерева?

3. Телеграфный столб, освещённый Солнцем, отбрасывает тень длиной 6,9 м, а вертикально стоящий шест высотой 1 м — длиной 1,1 м. Чему равна высота телеграфного столба?

4. Постройте изображение предмета в плоском зеркале и определите графически область видения (рис. 7.11).

5. Матовая электрическая лампочка сферической формы радиусом 3 см освещает глобус радиусом 13 см. Определите диаметр полной тени и полутени глобуса на стене. Расстояние от лампочки до глобуса 1 м, а от глобуса до стены 2 м.

Это любопытно…

Из истории развития физики и техники

О прямолинейном распространении света свидетельствует также получение изображения в камере-обскуре (в переводе с латыни — тёмная комната). Это устройство представляет собой светонепроницаемый ящик с отверстием в одной из стенок и экраном (матовым стеклом или тонкой белой бумагой) на противоположной стенке (рис. 7.12).

Лучи света, проходя сквозь отверстие диаметром приблизительно 0,5—5 мм, создают перевёрнутое изображение на экране (рис. 7.13).

В X в. арабский учёный Ибн аль-Хайсам (Альхазен) (965—1039) использовал специальные палатки для наблюдений за затмениями Солнца. Он сделал маленькое отверстие в пологе палатки и рассматривал изображения Солнца на противоположной стенке. Альхазен был первым, кто объяснил принцип действия камеры-обскуры, основываясь на прямолинейности распространения света.

В 1544 г. нидерландский учёный Рейнер Гемма Фризиус (1508—1555) наблюдал солнечное затмение при помощи камеры-обскуры. Благодаря Фризиусу появилось первое изображение камеры-обскуры в научных трудах.

Судя по всему, первым использовал камеру-обскуру для зарисовок с натуры Леонардо да Винчи. Отметим, что многие художники (например, Ян Вермеер Делфтский, 1632—1675) использовали камеру-обскуру для написания пейзажей, портретов, бытовых зарисовок.

Итальянский учёный Джамбатиста делла Порта (1535—1615) усовершенствовал камеру-обскуру, добавив к ней собирающую линзу (стеклянную чечевицу).

В 1600 г. выдающийся астроном и физик Иоганн Кеплер (1571 —1630) изготовил для наблюдения солнечного затмения большую камеру-обскуру, а в 1607 г. он наблюдал с её помощью прохождение Меркурием солнечного диска.

Отражение света от разных зеркальных поверхностей

В технике нередко используются зеркала с изогнутой отражающей поверхностью (сферические зеркала). Такие объекты представляют собой тела, имеющие форму сферического сегмента. Параллельность лучей в случае отражения света от таких поверхностей сильно нарушается. При этом существует два вида таких зеркал:

• вогнутые – отражают свет от внутренней поверхности сегмента сферы, их называют собирающими, поскольку параллельные лучи света после отражения от них собираются в одной точке;

• выпуклые – отражают свет от наружной поверхности, при этом параллельные лучи рассеиваются в стороны, именно поэтому выпуклые зеркала называют рассеивающими.